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发表于 2021-2-18 21:01:43 | 查看: 36| 回复: 0
  章节vv学院乱云飞渡仍从容
  1962年9月12日,肯尼迪总统发表了激动人心的“我们选择登月”的演说,把新边疆概念放在了开发太空上,从而让美国在与苏联的太空竞赛中胜出,实现人类的首次登月。而今天的硅谷创业者们则在这个新太空时代,开拓着属于我们这代人的新边疆,让太空离我们普通人不再那么遥不可及。
  20世纪50年代,美国和苏联相继将人造卫星送入太空,从而揭开了太空时代的序幕。如今,新的创新技术和硅谷创业者正创造新的太空时代。
  日落后不久,距离美国佛罗里达州卡纳维拉尔角(Cape Canaveral)18公里远的地平线上,突然出现刺眼的光芒,且还在缓缓上升。实际上,那是比20层建筑物更高的机器(重量超过550吨的火箭)正拔地而起。它最初从容不迫地将云层染成青铜色,随着火箭攀升到云端之上,它的速度陡然加快,发动机的轰鸣声、排出气体形成的笔直线条,都显示出其精确轨迹。
  发射2分21秒后,火箭来到大西洋上空61空里处,那里依然有良好的视野,第一级发动机关闭。美国太空技术探索公司SpaceX制造的“猎鹰9号”火箭后两级开始分离。第二级中的单引擎开始点火,推动货物以更快速度向东飞去,迅速在视野中消失。分离9分钟后,第二级发动机关闭,此时火箭已经到达地球以上240公里的轨道上,以每秒7.5公里的速度运行。2天后,运载补给和科学设备的货船被送达国际空间站。
  然而壮观的场景还未结束。在海拔100多公里高空分离后不久,第一级火箭依然在持续爬升,并将激活其内部三个发动机以改变方向。它到达轨迹最高点,然后开始落向地球,发动机所在位置朝向地面。降落过半距离后,三个发动机重新点火,以便经过缓冲帮助火箭重新进入地球大气层。
  在降至海拔大约10千米空中时,这段火箭的速度依然超过音速,引擎最后一次点火。与发射时不同,回归的火箭上不再载有卫星。明亮的光芒直冲向地平线。在到达地面时,其基座中喷出平缓的火花。4个着陆腿慢慢陷入混凝土垫中。1秒钟后,不断发出的音爆信号标志着其8分钟的旅程结束。
  2017年将是人类首次见证卫星被发送到轨道上60周年的年份。1957年10月5日,苏联发射的第一颗人造卫星Sputnik1从哈萨克斯坦飞入夜空。这种敲击“天堂大门”的行为至今依然是令人感到兴奋。尽管随着时间推移,“天堂”的访客越来越多。
  在首颗卫星发射升空后15年后,人类又登上月球,从此进入了“一切似乎皆有可能”的时代。尽管赢得了太空竞赛,但是美国人似乎没有看到随之而来利益。美国开发出航天飞机,希望让太空旅行变得更廉价、更可靠,成为常态。从1981年到2011年间,美国航天飞机已经进入太空100多次以实现不同的目标,尽管其间发生了2次悲惨事故。
  但是前两个目标显然没有实现,进入太空依然充满了危险,且费用依然高昂,只有政府和通信公司因为各自不得已的理由,才继续保持太空探索。现在,伊隆·马斯克(Elon Musk)于2002年创建的SpaceX正试图提供廉价、可靠、小健和赖淑珍常规性的太空旅行。它也是自从20世纪80年代以来,使用最新设计火箭进入发射行业的首家私人公司。
  尽管7月份在卡纳维拉尔角为国际空间站运送补给任务已经进行了数百次,但却是SpaceX第二次成功回收第一级火箭。马斯克始终保持创新步伐。在今年年末或明年年初,他的公司计划发射重型火箭Falcon Heavy,它将使用3个回收的助推器作为动力。与今天的运载火箭相比,Falcon Heavy携带的有效载荷更多。
  此外,SpaceX也在开发更强大的火箭发动机。到2017年结束前,SpaceX计划将人类游客送上国际空间站,这将是除了波音之外首家实现这个里程碑的私人公司,波音与美国宇航局签署有类似合同。
  这个领域的发展前景十分可观,因为SpaceX目前只有一个竞争者,也就是亚马逊老板杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)创建的Blue Origin。这家公司拥有亚轨道火箭New Shepard,可以进入太空边缘后返回地面,与SpaceX的“猎鹰9号”的工作原理类似。Blue Origin也计划明年实现载人飞行。
  许多开发非载人火箭的新公司也正进入火箭发射领域。然而,这些新火箭并非唯一令人感到兴奋的最新进展。在20世纪80年代和90年代期间,进入太空的高昂费用导致许多制造商缩小用于各种卫星发射的火箭,从而创造出“小型卫星”。自从那以来,卫星发射受到计算和电子技术的推动。这也为从事“旧工作”和竞争新机遇开辟了新的方式。
  美国政府的GPS定位系统共由24颗卫星组成,它可能代表了世界上最重要的太空资产,对美国军队和数十亿智能手机用户来说至关重要。美国建造当前规模的GPS系统用了20年时间。可是现在,许多微型卫星公司正考虑在一两年内发射相当于GPS系统几倍规模的系统。
  这些卫星都将在低地轨道运行,但并非所有的小型航天器都会停留在地球附近。到2017年末,总部位于美国佛罗里达州的私人初创企业Moon Express,计划向月球递送10公斤有效载荷,包括登陆车。届时,这家公司将成为首家登陆月球的商业公司。其他公司也在探索使用小型卫星探测小行星,并进行采矿的可能。
  尽管现在还没有任何一种技术能够将这些勃勃雄心紧密联系起来,但硅谷正在对其进行探索。即使现在大多数用于太空探索的资金依然来自政府或老牌电信公司主导的项目,但太空旅行正从政府采购和航空工程巨头转向风险资本支持的初创企业,这些企业希望为更多的客户提供更便宜的服务。
  随着这些企业证明自己可以赚钱,它们将发展得越来越快。但在很多情况下,赚钱并非唯一目标。这些企业的创始人都认为,进入太空可以让更多人类受益。马斯克希望在20年内在火星上建立永久居住地。贝索斯希望将来数百万人能在太空中工作。尽管这些愿望还未实现,但马斯克和贝索斯等人的努力可能让太空重新成为充满可能和机遇的领域。
  但是如果没有实质性的努力,这些机遇和可能都只不过是过眼云烟。除了新的创业意识和超凡的企业方针,还需要对制造卫星的技术进行彻底改进。
  在美国加州帕罗奥图市,有一家工厂自从苏联发射Sputnik那年就开始制造卫星,比任何人都更早听说过硅谷。这家公司名为SSL,已经制造了100多颗通信卫星,其中81颗至今依然在正常运行。这些卫星结构基本相同:直径1.2米的圆筒被装进正方形盒子中。卫星承担的任务越多,其盒子建造得越高,太阳能电池板越长,天线和反射镜阵列就越大越复杂,也就能为地球上的客户发送更多数据。
  已经接近完成的Sky Muster II是SSL制造的最大卫星。它将为澳大利亚人口稀疏的地区提供宽带通信服务,竖起来身高9米,拥有复杂的反射镜阵列,可以调整服务。
  目前,通信卫星行业主要由Eutelsat、Inmarsat、Intelsat以及SES四大运营商占据主导地位,它们的大多数收入源自那些需要通过卫星发送电视信号的公司。有时候,它们也通过提供传输数据和移动通信服务赚取收入。SSL工程与运营主管保罗·埃斯蒂(Paul Estey)说,这些运营商需要更多类似SSL这样专业的航空公司帮助。
  卫星发射行业充满了创新,但也常常会规避损失。SSL最小的通信卫星售价也要达到1亿美元左右,最大的则高达3亿美元。再加上1亿美元的发射费用,其发射的卫星可能需要10年才能产生收益。由于这些卫星被送入危险的太空环境中,需要运行许多年,几乎没有修复的可能,为此任何存在重大风险的新技术都会被谨慎应用。
  沿着101公路行驶1小时,你会发现另一家截然不同的工厂Planet,它最近因为Planet Labs而名声鹊起。这家工厂占据了旧金山南市场区一栋破旧的建筑中,巨大的空间里放满了可用于制造30厘米长卫星的各种桌子和工具,每个小卫星重约5公斤。你会发现,许多零部件来自其他设备,其中最显眼的就是智能手机。制作这种Planet所谓的Dove卫星需要一周时间。
  在房间的后面,有数十个已经打好包装准备出货的小型卫星。这预示着全新的太空业务模式,即小物体,大数量。Dove只是被称为“立方体卫星”家族的一部分。20世纪90年代,美国斯坦福大学和加州州立理工大学圣路易斯奥比斯波分校的研究人员意识到,将小卫星进行某种程度的标准化将让它们更容易发射。
  为此,科学家们制造出被称为1U的标准立方体盒子,它配有电子和物理接口,可以安装在分配器上,作为“二次有效载荷”发射。这种标准化已经取得成功,到2013年初,已经有100多颗立方体卫星被放飞,设计和建造它们的工具也被大量开发出来。
  Planet创始人克里斯·博淑珍(Cdivis Boshuizen)、威尔·马绍尔(Will Marshall)以及罗比·辛格勒(Robbie Schingler)认为,立方体卫星将成为卫星行业的基础。2010年初在美国宇航局阿姆斯研究中心工作时,他们就曾研究加入3U(3个1U端端相连)立方体卫星的最大望远镜到底能做什么。
  安装在国际空间站这样的低轨道上,并将其指向地球,这种望远镜可以拍摄分别率5米以下的照片,这几乎与许多公司利用更大望远镜和更大卫星拍摄的照片相当。但是3U立方体卫星可以数十甚至数百地部署在太空中。对于某些领域,比如农业监测,这些小卫星将收集到的绝对信息可大幅提高信息准确性。
  2014年,首批28颗Dove立方体卫星已经通过国际空间站放飞。此次发射在Planet的总部以煎饼早餐庆祝,自此后每次发射都举行类似庆祝活动。Planet目前运行着63颗立方体卫星,它们的能力受到体型限制,但该公司称其技术复杂性可与任何卫星媲美。他们支持有前途的商业模式。马绍尔说,Planet目前有100多个客户,它们都依赖Dove发回的数据。客户数量将大幅增加。
  Planet的成功部分源于成本持续降低和消费电子产品能力提高,特别是智能手机组件。智能手机销量已经达到数十亿部,它们在体积和功耗方面的改进非常明显。但是如果没有不停地改进卫星的意愿,这些东西都没用。截止到今年6月份,Dove已经经历了14次升级。如今,Dove上配有不同的摄像头、新的天线、根据特斯拉电动汽车的锂离子电池组重建了电子和电力系统。
  Dove卫星现在可以看出四色带,而原来只能分辨三色带。它们在自我定位和指向方面有了很大改进。马绍尔表示,与5年前相比,Dove在性能上提高了100倍。这种迅猛的创新在硅谷十分常见,但在卫星领域却是首次出现。
  但要想以这种方式做事,需要冒着与当前大而昂贵的卫星疏远的危险。Planet已经估计到,其部分创新可能会失败。Planet知道,从国际空间站放飞的Dove只有很短的寿命,运行9到18个月后就会重新落入地球大气层烧毁。这种态度加快了Planet的进步,并提高了公司整体韧性。
  一颗巨大的通信卫星可能与整个公司的命运息息相关。比如首颗广播电视卫星Astra1A于1998年被欧洲首枚Ariane 4火箭送入轨道时,传媒大亨鲁珀特·默多克(Rupert Murdoch)就表示,如果这颗卫星失败,他新建的Sky广播业务将遭到灭顶之灾,其媒体帝国的其他业务也将受到影响。
  Planet曾遭遇过两次“厄运”,其Dove因发射失败而坠入地球烧毁。只有公司创始人拥有冒险精神,这家公司才会信奉同样的哲学。这是创办制造廉价小行星的企业获得另一个经验。Planet所需的资本相对较少,很容易从硅谷天使投资人和风投机构筹集到足够资金。而且其卫星重仅几公斤,只需要1000个零部件即可组装,成本仅需数千美元。
  到目前为止,已经完成三轮融资的Planet获得的投资总额为1.58亿美元,相当于购买SSL一颗卫星的价格。航空航天分析机构Tauri Group发布数据显示,在2001年到2005年之间,全球太空业务获得的风险投资仅为1.86亿美元。而到2011年到2015年之间,太空行业获得的风投总额已达23亿美元。半数投资者都来自美国加州,大多数资金都被投入到研发小型卫星或发射这些卫星所需的装置中。在涉及到相关技术方面,风投资本家们越来越感到放心。
  类似Planet这样的公司,企业愿望基本相似。正如航空航天分析机构Tauri Group报告指出的那样,新一波太空公司能够将自己推销给风投机构,它们的优势基本相同:系统成本降低、新产品用户大幅增加,特别是数据产品。
  时尚是另一个因素。就像Dove,它正吸引硅谷投资者的兴趣。在过去几年SpaceX取得的成功,已经让太空成为特别吸引人的领域。这些新的资本来源看起来正帮助产生更多更好的卫星。7月份,咨询机构Euroconsult估计,从2016年到2025年之间,大约有3600颗小型卫星将被发射升空,其中2000颗来自风投机构支持的地球观测公司。
  而包括资金雄厚的大公司,则希望进一步推动小型卫星革命。今天的大型通信卫星基本上都在地球上空3.6万公里轨道上。这是因为,只有达到这个高度,这些卫星才能24小时覆盖地球。但这也意味着,从地面上观看,这些卫星似乎静止在天空中。而卫星距离地面越近,传输数据的速度越快。在3.6万千米高空,传回地球的无线秒,许多应用为此出现问题。
  而通信卫星通常放弃低地轨道的优势主要有两大原因。轨道越低,你就需要更多卫星确保始终能在地面上看到它们,因为卫星在天空中移动要求接收器能够追踪它们。尽管今天的接收器已经可以通过电子追踪卫星,但这种技术同样有着苛刻的要求。
  OneWeb是Intelsat、维珍集团以及空客联合推出的卫星联网项目,其灵感源自现代天线可以克服大多数通信问题,而且小型卫星也可以解决覆盖问题。OneWeb项目计划向地球上空1200千米轨道发射648颗卫星,为地球上提供无盲点的无缝通信服务。其商业计划则是覆盖发展中国家为重点的地域。对于它来说,任何地方都不再属于偏远地区,其首颗卫星将于明年发射。
  这绝非立方体卫星或初创企业能够完成的庞大计划。OneWeb需要数十亿美元资金支持,其原型正在空客公司位于法国图卢兹的工厂中制造。在美国佛罗里达州,OneWeb和空客也在建立工厂,计划在那里每天制造4颗150公斤的卫星,它们都使用高度自动化系统。与当前世界任何卫星系统相比,OneWeb的卫星数量将更多。
  尽管在技术上属于雄心勃勃的项目,但OneWeb同时也面临着许多竞争。谷歌正在研究在平流层安置气球,为发展中国家提供互联网接入服务。世界最大社交网络Facebook也在研发联网太阳能无人机。
  当前通信卫星行业也正加强关注。在谷歌,OneWeb创始人们曾研发名为O3B的系统,即为没有联网的另外30亿人提供数据服务。但他们离开后,这个系统还在继续推进。当其完成时,它将由20颗运行在地球上空8000千米的卫星组成。今年夏季,四大通信卫星运营商之一的SES谷歌和其他原始合作伙伴手中获得这个项目的完全控制权。
  与此同时,SpaceX也计划打造自己的低地轨道通信系统,它或许要由4000颗卫星组成。这个项目需要使用的卫星,可能需要当前地球轨道上运行的所有卫星总数之和的3倍。
  从工程野心、操作的复杂性和资金要求这些层面来看,大型通讯卫星群对地球观测的变革性影响超过了小型卫星。但就改变世界的潜力来看,两者的影响力或许恰恰相反。
  卫星在通讯业所占的比例很小,但它们对某些行业至关重要,例如多频道电视。在价值2万亿美元的电信业中,卫星仅占据很小的比重,但依旧举足轻重。O3B、OneWeb等项目的目的是为30亿无法上网的人提供互联网服务,这类项目对这些处在世界经济发展边缘的人而言不失为一大福音。目前能够以各种方式实现连接的智能手机对计算机业和通讯业带来了巨大的变革,卫星也将像智能手机那样,成为另一股变革力量。地球观测正在经历的一切开启着全新的篇章。
  首次改变发生在20世纪60年代早期,间谍卫星可以侦察指挥中心想要监视的任何地方,甚至深入敌方领地。卫星让处在冷战中的国家得以掂量彼此的核力量和其他军事力量,或监视对方对军备控制协议的执行情况。
  阿波罗宇航员拍摄的地球照片引发了第二次变化。这些照片让人类首次从太空的角度欣赏自己的家园,我们的地球同死气沉沉的月球和无尽虚无的太空形成了鲜明对比,虽然看起来渺小,但极其美丽和珍贵。这些照片加快了人类推行环保政策的脚步。
  第三次变化源自GPS卫星,它们让智能手机、汽车甚至集装箱等现代设备或运输工具能够进行精确的自我定位,人们无论身处何处都能了解自己的位置,这成为导航、Uber打车应用等服务所需的关键技术。
  目前我们正在经历第四次变化。卫星等技术的进步从地球身上获得了海量数据,我们可以从中筛选出有用信息,并通过分析和推断来获取有效的结论。
  Doves Planet公司的Doves卫星能够以很高的频率提供地球所有区域的图像。该公司的野心有望很快就能实现,即利用太阳同步轨道(图4)在每天的同一时刻拍摄地球的所有地方。旧金山的立方体卫星公司Spire另辟蹊径,它提供的服务并非观测地球表面,而是聆听无线电讯号。通过要求每艘轮船安装持续发出位置信号的发射器,不久以后Spire有望掌握地球上每艘轮船每小时的位置数据。
  西雅图初创公司BlackSky的卫星体型比Doves大,它的光学观测仪器因体积更大而能够实现更高的分辨率(大约1米),这意味着BlackSky卫星能够清晰拍摄汽车之类的对象,这在很多领域具有重大意义。这类卫星还可拍摄自身环绕轨道以外的对象,不仅限于轨道正下方的范围。该公司希望通过60枚轨道各不相同的卫星,在90分钟内生成地球北纬55度和南纬55度之间所有区域的俯拍图。该公司还提供不同分辨率和重复访问卫星图的组合服务。
  云存储和云处理技术在这场变革中扮演着重要角色。Doves Planet公司投入巨资建设信息传输设施,旨在从12个地面卫星接收站收集原始数据,并把这些数据转化为有用的产品。但它需向云计算公司按需购买存储和处理能力。没有云服务的话,初创公司根本无力处理卫星每天产生的以太字节为单位的海量数据。
  新市场同样重要。20世纪90年代在美国创立的地球观测公司都拥有一个专业级的大客户——知名度不高的美国国家地理空间情报局(National Geospatial?Intelligence Agency)。该机构位于维吉尼亚州。这些公司通过向该机构出售高分辨率的卫星图赚了不少钱,但这一局面几乎无法推动这一行业的多样化发展。业界中各个公司最终合并成DigitalGlobe,后来DigitalGlobe蓬勃发展,成为全球领先的高分辨率地球影像服务商。每隔几年它都会发射一颗高性能的高分辨率卫星,今年九月,它将再发射一颗卫星升空。但政府订单仍然超过其销量的半数。
  新创立的卫星公司也会向政府出售卫星影像产品,但它们几乎都不依赖政府订单。它们把自身快速发展的希望寄予在一类客户身上。这类客户以往从未使用过卫星数据,但希望通过卫星数据来寻求某些问题的答案。使用这类数据的卫星公司和第三方机构都向机器学习技术投入了巨资,这类技术能够通过分析云存储的海量数据以及识别其中的变量来解决某些实际问题。
  上述技术的结合能够让航运公司准确获知所有船只的位置;通过城市扩展、交通或夜间照明状况来跟踪经济发展情况;每日为再保险公司更新与其风险组合产品相关的数据变量;向期货交易者告知整块大陆的作物生长情况,或向农场主告知某块地的作物生长情况;把卫星数据和其他地理参照数据相结合,以制作灾难事件、示威游行、火灾和庆典等的现场俯拍图;了解新泽西州收费公路上的汽车数量。
  海量的数据似乎拥有无穷无尽的潜力,这类数据几乎能够实现实时更新,让整个世界以越来越详尽的细节呈现在人类面前,还能学会自发地识别各种各样的物品和现象。
  除了各种新颖用途外,一些旧式的预测方法也将得到革新。除了接收地面上的无线电信号外,Spire公司的卫星还能接收美国24枚GPS卫星以及欧洲、俄罗斯和中国部署的卫星的传输信号。由于轨道不同,地球有时候会位于两颗卫星之间,而无线电信号在被地球完全阻隔之前会穿透部分大气层。信号消失在大气层中的检测数据可用来计算两颗卫星之间区域的温度和气压,从而为天气预报提供一种全新的极有价值的原始数据来源。Spire目前拥有12颗卫星,它希望在年底前把卫星数量增至44颗。将来如果Spire拥有的卫星数攀升至1000颗,那么每天它将能够制成10万张大气断面图——数个太字节的宝贵数据。
  降低太空发射任务的成本并不是最重要的目标。数十年来,降低发射成本似乎是太空旅行取得进展的一大要素。太空爱好者把大幅降低成本视为实现更多太空壮举的关键。这是SpaceX公司吸引业界大量关注的原因之一。该公司最近取得的前沿成就让竞争成本大幅下降,并使自己占领太空发射市场的大块领地。SpaceX对回收火箭的不断尝试有望持续削减发射成本。
  小型卫星的兴起说明,这种过分倚重成本的思路太过简单。如果每千克太空设备的性能能够大幅提升,那么哪怕发射成本不发生变动,太空任务的成本也会随之下降。对于小型卫星而言,创新最为重要,有没有什么新型的发射渠道却是次要的。
  火箭实验室(Rocket Lab)公司的服务目标就是这个市场。今年晚些时候,该公司的电子(Electron)火箭将从新西兰北岛首次发射升空。电子火箭的研制获得了硅谷的资助,按照设计,它能够把150千克的收费载重发送至太阳同步轨道中,费用不超过500万美元。这一价格同加拿大公司Spaceflight收取的费用一样。Spaceflight提供的是“搭便车”服务,即让小型卫星作为二次有效载荷(secondary payloads)搭载在火箭上升空。
  相较而言,火箭实验室的每千克3.3万美元报价听起来颇为昂贵,因为猎鹰9号火箭把1千克的物资送往低轨道的价格不超过前者的十分之一。但要与SpaceX合作的话,客户需要委托运送大批物资,例如,支付至少6200万美元让猎鹰9号火箭承载20吨的物资。而且预约还需数年时间,早有一列长长的客户队伍在等待。对于一些四处比价寻求价格适宜的“顺风车”服务的小规模公司,它们的任务是在数月内把立方体卫星等对象发射到正确轨道中,火箭实验室或Spaceflight公司的500万美元报价则听起来更具吸引力。
  哪怕载荷要求不高,研制面向小型卫星的、单位成本低的火箭是具有挑战性的。火箭实验室公司的CEO彼得?贝克提及了批量生产、新型制造技术、材料以及新理念等几大因素。他不打算为第一级和第二级火箭设计不同的发动机,而是采用尽可能少的设计。无独有偶,SpaceX针对猎鹰9号火箭也采取了同样的省钱之道并验证了这种方法的可行性:相较制造几类设计各不相同的发动机,制造同一种发动机更节约成本。火箭实验室在发动机的生产过程中也利用了3D打印技术,并采用重量更轻的碳复合材料制造燃料箱,这有助于减少发动机的负重。此外,它还开发了一些独有技术,例如,使用电池供能的泵把燃料和氧化剂推送到发动机中。
  由SpaceX一些资深老手创立的萤火虫(Firefly)公司正在研制一种微型卫星运载火箭阿尔法(Alpha)。该公司采用了类似的材料,但针对如何把燃料推送至发动机中设计了不同的方法,也在第一级火箭中运用了一种新颖的发动机组设计方案。理查德?布兰森的维珍银河公司也参与了这一市场。该公司最早想开放亚轨道太空之。

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